包装机械设计中的控制技术_李瑞平冯济缨黄明琪

中国包装报/2005年/04月/15日/第003版/

包装机械设计中的控制技术

李瑞平冯济缨黄明琪

　　包装机械是发展包装工业的基础,我国包装机械在品种、数量、性能、档次上均很难满足包装工业发展的需要。包装机械中的自动控制技术,直接影响包装机械的结构、工作可靠性、包装产品质量、生产效率、能量消耗和操作环境等,是发展包装机械的关键技术。

本文着重分析了包装机械各主要组成部分对控制的要求,提出了解决包装机械控制系统设计的方法及程序。

按结构包装机械可分成8个组成部分,即主传送系统、驱动与传动系统、被包装物品的计量与供送系统、包装材料供送系统、包装操作执行机构、产品输出机构、机身、检测与控制系统。

根据被包装物品的情况,主传送系统可设计成连续运动或间隙运动两种形式,二者在机构组成和运动特征上存在区别。因此对驱动装置的选择,如驱动力矩、速度调节、反转、制动等要求也不同。对多工位间隙运动的包装机,为了保证高速工作,各工位规定有不同的任务,而且检测工位与处理工位往往不一致,控制系统设计需对应满足其要求。包装物品由主传送系统传送,各种包装辅助材料由供送系统传送,它们之间的动作必须协调配合,控制上应严格保持一致。

多工位间隙运动包装机,被包物品由一个工位移到另一个工位作间隙步进运动,主要包装操作在物品静止时(间停时)完成,因此执行机构的动作必须控制在间停时间段的某一时间片内完成。

另外,有些包装材料不是连续传送的,对这种包装材料的检测需要准确定时,如卷烟包装机中盒皮的供送,要待其下到规定位置时进行检测才有效,盒皮未下到位或盒皮已下过位时检测均无效,这就要求严格的时间配合。

供送系统要及时将材料传送给主传送系统上的包装物品使用,但生产上出现某些情况时有时又要求它不传送。如无料不送袋、断瓶不充填、缺盒不上标等均属这种情况。再有如连续供料不正常(如连缺盒皮多张),则要求停机,这既是保证正常生产的需要,也是节约主、辅材料的要求。控制系统设计应满足这些要求。

包装机械或包装自动线集机、电、气、液于一体,机构复杂,各机构之间,各组成部分之间的动作有一定次序需严格配合,不允许混乱。包装自动线又有刚性(无中间的存贮装置)和柔性之分,前者会因某一环节短暂停车而影响全线正常工作。控制系统设计应满足动作顺序的要求。

在自动/手动/调试等工作方式时,对设备运行速度有不同的要求,应选择相应的驱动装置及调速方案以满足其要求。

为提高生产效率,包装机械多设计成高速、连续工作的运行方式,对操作人员安全、设备安全(如易堵物品引起的设备损坏)及防止误操作等,均要求有较完善的安全保护措施及相应的故障报警显示,以防事故发生及便于寻找故障。

多数包装机械机构复杂,动作精确,工位多,各机构之间的运动关系有着极严格的要求,控制设计必须与机械设计紧密配合,各用其“长”,以取得最好的总体效果。这是在控制系统设计时首先应当明确的。

近年来微型计算机、单片机、可编程序控制器(PLC),在包装机控制系统中得到了广泛的应用。特别是PLC以其工作可靠、编程易学、

安装方便、维修工作量小等优点更受到青睐。针对包装机械对控制所提出的要求,总结笔者的经验,对包装机相关PLC控制程序的设计方法介绍如下。

记忆控制

为了能与多工位间隙运动包装机中各工位相对应,还能实现各工位的逐位移动,并纪录各工位检测到的状况(以便将前面工位纪录的信息用于后面工位进行控制),在PLC程序设计中采用移位寄存器可以很方便的实现。

相位控制

多工位间隙运动包装机的检测、执行等操作主要是在间停时间段中的某一时间片内完成。如GDX1-8000型卷烟包装机的X1小包机,每一工位上停留时间为150ms,相当于X1小包机主轴转1圈(360°),它的很多操作要求转在某一规定角度范围内完成,把这种严格的动作时序要求称为“相位控制”。老的烟机上一般采用机械凸轮来控制,现代烟机上则采用所谓电凸轮。

用户要构造“电凸轮”也很简单,例如在主轴上装一个旋转编码器,设它每转1圈发出360个脉冲(1个脉冲相当于主轴转1°),将其接入PLC,PLC用计数器(一般计数器或高速计数器)记录送入的脉冲数,便知主轴旋转的角度,即可算出所对应的时间,取出不同时间片信号可方便地用于控制。

联锁控制

满足包装机各机构间动作顺序严格配合的要求,在控制上可通过顺序联锁、延时联锁和互锁等程序来实现。控制程序一般均很简单,需要注意的是:1)互锁时除PLC内部软件互锁所,应考虑外部元件是否需加硬件互锁;2)采用多PLC控制时,不同PLC间联锁信号的获取问题。

包装机械安全保障体系的设计,从控制程序设计的角度看,也是一种联锁控制关系,当检测到有危及人身与设备的不安全信号时,可令

报警、显示及停机,通常声音报警设计成人工复位,显示报警及故障后开机设计成在安全隐患消除后才能自动或手动复位。

速度控制

速度调节方案与所选动力机有关,包装机械常用到的电力拖动装置有交流异步电动机、交流伺服电动机、直流电动机等。交流异步电动机以其结构简单、维护容易、价格便宜、能频繁起动和反转而得到广泛应用。它与变频器和PLC联合,能满足包装机械对速度调节的一般要求。

当自动时通过PLC程序可控制电机中速启动10s后自动转高速;低速信号来时电机转低速;接通RT可控制加减速。手动时调节电位计以控制电机转速。

包装机自动控制系统的设计包括主传动控制体系、质量保证体系、材料节约体系、安全保障体系、故障诊断体系等方面。不仅离不开机电光液气等常规技术手段的相互渗透与配合,更重要的是及时将新的检测与控制技术引入到包装机控制系统中,以不断开发出新的包装设备。

从控制器来说,微型计算机,特别是可编程控制器的引入,给包装机自控系统设计带来了很大的方便,如贵州茅台啤酒公司包装车间的各种包装自动线,几乎都是采用PLC控制。

包装机控制系统中应尽量采用新型传感技术和检测方法。如利用图形识别技术来自动检测产品形状大小、表面缺陷和贴标情况,以便分级分类剔除不合格品;利用核辐射线来自动检测高速自动线上密封饮料罐内液面的高低,令检测到的不合格品到指定地点予以剔除;利用激光来代替滚刀或剪刀进行切纸,以改变卷带供送装置的结构;在包装机中狭窄弯曲的空间内利用光导纤维,近距离或远距离传递光信号,方便实现高密度的集中控制等。这些新技术的引入,将极大地提升我国包装机械的自动化水平。